地物波譜

地物輻射和反射的電磁波能量在電磁波譜範圍內隨波長的分佈。地球上溫度高於0K的物體都能自發地發射電磁波，這一物理現象稱為熱輻射。

它是組成物體的大量粒子無規則熱運動的結果。地物熱輻射強度按波長的分佈稱為地物輻射波譜。它與物體的溫度及其他物理和化學特性有關。各種物體對入射的電磁波能產生反射、透射和吸收效應。反射強度或反射率按波長的分佈稱為地物反射波譜。它也與物體的某些性質有關。地物波譜特性是遙感技術的物理基礎。

地物波譜 - 輻射波譜

根據熱平衡原理，物體在熱輻射的同時也在吸收電磁波。輻射能力強的物體吸收能力也強。能完全吸收入射的電磁波而不產生反射和透射的物體稱為黑體。它是一種理想的吸收效率最高的吸收體，因而也是輻射效率最高的輻射體。物體的熱輻射效率用發射率ε表示，黑體的發射率定為1，一般物體的發射率都小於1。

根據量子統計力學上的普朗克輻射定律，黑體的輻射強度與絕對溫度的關係以及按波長的分佈，可表示為

式中h為普朗克常數；k為玻耳茲曼常數；c為光速；λ為波長;T為絕對溫度。這個定律表示一個黑體在某一方向的單位投影表面，在單位時間、單位波長和單位立體角內所輻射的能量。這種輻射強度稱為黑體的譜輻射亮度。

當絕對溫度一定時，黑體的波譜有一峰值，對應峰值的波長稱為輻射峰值波長λm，λm與T成反比，即隨著溫度升高，峰值波長向較短波長方向移動。常溫(300K)黑體的峰值波長約為10微米。太陽可看成為近似的黑體，其峰值波長約為0.5微米。

一般物體的輻射效率低於黑體的輻射效率（ε<1），所以一般物體的輻射亮度L小於同溫度的黑體的譜輻射亮度Lb，兩者的關係可表示為

L(λ，T)=ε(λ)Lb(λ，T)

物體的輻射強度也常用亮度溫度（簡稱亮溫）Ta表示，當溫度為Tb的黑體的輻射亮度等於溫度為T的物體的輻射亮度時，黑體的溫度Tb就稱為該物體的亮度溫度。一般物體的亮溫Tb總是小於它的實際溫度T。在微波波段，常溫物體的亮度溫度Tb與實際溫度T有以下簡單關係

Tb=εT

因此，在常溫範圍內物體的亮溫Tb決定於絕對溫度T及其發射率ε，而ε則與波長、物體的介電特性和表面的粗糙度等因素有關，以土壤為例，濕度越大，亮溫越低；表面越粗糙，亮溫越高。

在可見光和紅外波段，地物輻射特性用紅外輻射計、可見光輻射計、雙光束干涉儀、多光束干涉儀等光譜儀器來測量。在微波波段，地面輻射計經參考輻射源（標準雜訊源或等效負載）校準后，可測定地物的微波亮度溫度。

地物波譜 - 反射波譜

地物反射電磁波的強度決定於物體本身的物理和化學特性，並與入射電磁波的波長、極化和入射方向有關。在電磁波譜的0.3～2.5微米波段內，地物主要反射太陽輻射的電磁波，地物本身的熱輻射可以忽略不計。在波長大於 6微米的波段則主要是地物的熱輻射，而太陽輻射的影響卻很小。在2.5～6微米波段內太陽輻射和地物熱輻射均應考慮。

地物反射波譜用譜反射率ρ（λ）表示，它是某一波長上反射功率與入射功率之比。地物反射率是其介電特性、粗糙度以及入射電磁波的波長、極化和入射角的函數。光滑表面(起伏小於λ/8)產生鏡面反射，入射角等於反射角，反射率的大小可用菲涅耳公式計算；粗糙表面具有無方向性的漫反射或散射，反射波的振幅和相位無規則變化。實際表面既非完全光滑又非完全粗糙，鏡面反射和漫反射同時存在。地物反射率可用分光光度計或多光譜掃描儀通過與已知樣板的比較而測量出來。土壤反射率對土壤質地、腐殖質和礦物質以及含水量比較敏感。含水量越大，土壤對太陽輻射的反射率越低。各種植物的反射率與波長以及植物種類、生長狀況和生長條件等因素有明顯的依從關係（圖3）。

圖中在波長為0.55微米處，植物有一小的反射峰，植物的“綠色”就是由它決定的；在波長為 0.68微米處，植物有一吸收峰。在波長為0.7～1.4微米的近紅外波段，植物的反射率高達 50%～70%，這是正常植物的特徵。在波長為1.4和1.9微米附近，植物有兩個吸收峰。對於有病蟲害的植物，幾個反射率谷峰隨病蟲害的加重而逐漸消失。紅外波段的反射率下降。因此，利用多光譜掃描儀所得到的物體反射率波譜特性可以區分各種物體，並反映植物病蟲害程度、生長狀況和土壤濕度等。

地物波譜 - 散射係數σ0

當有源微波遙感器發射的電磁波照射到地物時，遙感器在照射方向上接收的電磁波信號稱為回波。雷達天線波束所照射到的地面或海面物體（如土壤、植被、海水等），包含大量的散射單元。對這種擴散型地物的回波或散射特性不能用單個離散目標的雷達散射截面積來表示，而要用後向散射係數σ0，即單位面積的平均雷達散射截面來表示。σ0=σ/A，式中A、σ分別為雷達天線波束所照射到的地物面積和雷達有效散射截面積。散射係數一般用σ0=10 logσ0(dB)表示。

σ0是地物介電特性、粗糙度以及電磁波的波長、極化和入射角的函數。對於給定的雷達，平均回波功率隨σ0而變化，雷達圖像的灰度也正比於σ0。地面微波散射計經標準散射體（如龍伯球）校準后可用來測量各種地物的散射係數。圖4為海面σ0與風速的關係曲線。海面σ0隨風速提高而增加，並且隨電磁波的波長和入射角的減小而增加；接近垂直入射時，σ0為最大值。土壤的散射係數σ0隨濕度增大而增加。各種地物σ0的測試結果和微波遙感的試驗證明，通過有源微波遙感觀測海面的σ0可以測出海面風速；用工作在4～5吉赫波段的側視雷達，入射角選在10～20°測量土壤的σ0,可測出土壤的含水量。地物的散射係數σ0是有源微波遙感技術的物理基礎。

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